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液滴碰壁铺展与振荡的研究

李德伟  
【摘要】:人们会经常接触到液滴与物体表面的碰撞现象。例如:雨滴与飞机等交通工具的碰撞、海水淡化中的喷雾蒸发、内燃机燃油缸内的喷雾碰壁、叶轮机叶片与液滴间的相互作用等。液滴在壁面上的碰壁和振荡过程,是两相流领域重要研究课题之一。润湿性是固体壁面的重要特征之一,其主要决定因素是:壁面的微观结构和化学组分。本文首先使用VOF (volume of fluid)模型对液滴在粗糙壁面上的碰撞与铺展进行二维的数值模拟。壁面选择具有高度规则的垄状凹凸表面,通过调整壁面微结构几何参数和本征接触角的大小来获得不同性质的粗糙壁面,然后用数值模拟的方法求解得到壁面上液滴的铺展形态和最大铺展半径,再将获得的数据进行对比分析来研究壁面几何参数和本征接触角对粗糙壁面润湿性的影响。其次,用VOF模型模拟研究粗糙干燥壁面和湿润壁面对液滴碰壁与铺展行为的影响。壁面选择几何参数固定的垄状凹凸粗糙干、湿壁面,并选取不同速度的液滴撞击干、湿两组壁面,用数值模拟方法求解出两组壁面上液滴的流动形态、铺展半径与铺展速度。再将两组壁面的数值结果进行对比,并与实验进行对照,分析了液滴在两种壁面上铺展的初期、中期和后期阶段,碰撞速度和湿粗糙壁面上微液滴对铺展的影响。最后,本文将平壁面上的液滴简化为半椭球形和球缺形,分别从理论上对液滴进行受力分析,推导出了液滴惯性力、界面张力、内部压力与壁面摩擦力作用的数学表达式,建立了液滴振荡的数学模型,给出了液滴振荡时的半径与液滴体积、铺展速度、运动粘度、密度、接触角与表面张力系数问的数学关系式。将本文理论模型算得的数据和实验数据进行比较,两者具有很好的吻合性,说明了本文理论模型的可行性。并以此为基础,进一步分析了滴径、运动粘度、铺展速度、密度、接触角和表面张力系数对液滴振荡的影响规律。


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